Il y a plusieurs dizaines de milliers d’années, Néandertal et Homo sapiens ont partagé la Terre. Puis, il y a environ 40’000 ans, Néandertal s’est éteint. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer cette disparition et, bien que de nombreuses découvertes en paléoanthropologie aient été réalisées, les causes de l’extinction des Néandertaliens demeurent incertaines. C’est pourquoi une équipe de biologistes a décidé de recréer des versions miniaturisées des cerveaux de Néandertal afin d’explorer leur différence génétique avec ceux d’Homo sapiens.
Jusqu’à maintenant, l’unique possibilité offerte aux scientifique pour étudier les aspects neurologiques de Néandertal passait par l’analyse de la forme et du volume de crânes fossilisés. Mais grâce à une équipe de biologistes du Programme sur les Cellules Souches de l’université de Californie (UCSD), cette situation est sur le point de changer.
En mêlant trois domaines complexes — le séquençage de paléo-ADN, l’édition génétique CRISPR et la construction d’organoïdes — les chercheurs ont modifié des cellules souches en y incluant des gènes néandertaliens afin de les faire se développer en « mini-cerveaux ».
En effet, il est possible que Néandertal ait disparu à cause d’un réseau neuronal insuffisamment développé, élaboré et efficace pour lui permettre de s’adapter et d’atteindre le niveau technologique et scientifique nécessaire pour survivre aux côtés d’Homo sapiens.
Lors d’une conférence nommée « Imagination et Evolution Humaine » donnée par l’UCSD, les chercheurs ont exposé leurs objectifs et leur méthode de recherche. Ils ont transformé des cellules souches dotés de l’ADN de Néandertal en organoïdes répliquant le fonctionnement du cortex cérébral.
Comparés aux mini-cerveaux corticaux élaborés avec des cellules typiques d’Homo sapiens, les organoïdes néandertaliens arborent des différences de taille et de structure dans leurs réseaux neuronaux, qui auraient pu influencer leur capacité à s’adapter.
Les organoïdes : comment cultiver des « mini-cerveaux » in vitro ?
Les chercheurs ont commencé par comparer le génome de Néandertal — précédemment extrait d’os fossilisés et séquencés — avec celui d’Homo sapiens. Parmi les 200 gènes s’étant révélés différents entre les deux espèces, les biologistes ont sélectionné « NOVA1 », un gène majoritairement impliqué dans le développement cérébral et lié à certaines pathologies comme la schizophrénie ou l’autisme. Ce gène est relativement facile à éditer puisque, entre les deux espèces, il ne diffère que d’une seule paire de bases.
Ce n’est pas la première fois que des mini-cerveaux ou d’autres organes, connus sous le nom d’« organoïdes », sont élaborés in vitro. De précédentes recherches y sont parvenues avec succès avec des cellules humaines. Pour réaliser des organoïdes néandertaliens, les biologistes ont utilisé l’outil génétique CRISPR pour modifier des cellules souches pluripotentes (pouvant se spécialiser en n’importe quelle cellule).
Pour ce faire, ils ont prélevé des cellules de peau d’une personne neurotypique (sans défauts génétiques liés à des troubles neurologiques) et les ont transformés en cellules souches pluripotentes. Ensuite, grâce à CRISPR, ils ont ciblé le gène NOVA1 et ont remplacé la paire de base humaine par celle de Néandertal. Pour s’assurer de l’absence d’erreurs de modification génétique, les cellules souches ont ensuite été séquencées, et celles présentant des mutations ont été écartées.
Par la suite, ces cellules souches modifiées ont été conditionnées pour se transformer en organoïdes, que les chercheurs ont appelé « Néanderoïdes ». Le processus a duré entre 6 et 8 mois, conduisant à des Néanderoïdes d’une taille de 0.5 cm, et donc visibles à l’œil nu.
Ces mini-cerveaux (environ 400’000 cellules) ne peuvent grandir plus car ils ne sont pas vascularisés (irrigués par des vaisseaux sanguins) mais simplement alimentés en nutriments de base. Les chercheurs envisagent à l’avenir de créer de plus gros organoïdes en développant des vaisseaux sanguins artificiels bio-imprimés.
Les différences entre les Néanderoïdes et les organoïdes humains
Une comparaison avec des mini-cerveaux humains produits dans les mêmes conditions a révélé que les cellules neuronales néandertaliennes migrent plus rapidement au cours du développement de l’organoïde. Cela pourrait s’expliquer par la différence de forme entre les mini-cerveaux des deux espèces. Tandis que les organoïdes humains sont sphériques, les Néanderoïdes présentent une structure tubulaire leur donnant une forme de « pop-corn ».
Ces derniers présentent en outre peu de connexions synaptiques, conduisant à un réseau neuronal altéré ; des caractéristiques similaires aux organoïdes humains élaborés à partir de personnes souffrant de troubles neuro-psychiques tel que l’autisme.
« Je ne veux pas que les familles pensent que je compare leur enfant autiste avec Néandertal, mais il s’agit là d’un résultat important » explique Alysson Muotri, généticienne et auteure de l’étude. « Chez l’Homme moderne, ces types de changements structuraux sont liés à des défauts du développement cérébral, et notamment de certaines zones nécessaires aux capacités de socialisation. S’il est possible qu’une des causes de l’extinction de Néandertal ait été son incapacité à s’adapter socialement, alors cette découverte est cruciale ».
Cependant, comme le rappelle Svante Pääbo, directeur de l’Institut Max Planck pour l’Anthropologie évolutive, les organoïdes ne représentent que les premières étapes du développement cérébral et « sont encore loin de pouvoir nous apprendre la façon dont un cerveau adulte fonctionne ». Lui et son équipe tentent également de développer des organoïdes néandertaliens, et il explique que des mutations peuvent facilement se glisser dans le processus. Mais Pääbo se montre également optimiste : « Il y a un certain nombre d’expériences de contrôle à mener, et j’ai bon espoir que nous surpasserons ces obstacles ».
Muotri et son équipe ont perfectionné leur technique au point de pouvoir détecter l’activité électrique neuronale des organoïdes humains. Grâce à cela, ils essaient d’intégrer ces organoïdes à des robots afin que les mini-cerveaux apprennent à contrôler leurs mouvements. Ensuite, Muotri aimerait effectuer la même chose avec des Néanderoïdes, afin que les organoïdes humains et néandertaliens puissent s’affronter.
